Дифракция быстрых электронов при эпитаксиальном росте Ge, GeSi на подложках Si(100), Si(lll)
|
РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Тенденция развития технологии получения наногетероструктур Ge на Si 10
2. Гетероструктуры Ge/Si с квантовыми точками Ge 11
3.1 Установка молекулярно-лучевой эпитаксии 12
3.2 Методы исследования наноструктур и устройства контроля 18
3.2.1 Масс - спектрометрия 18
3.2.3 Дифракция отраженных быстрых электронов 19
3.2.5 Цифровой инфракрасный пирометр IS 50-LO plus 21
4. Ростовые параметры технологических режимов синтеза наноостровков Ge на Si .. 24
4.1 Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок и их факторы 24
4.2 Режимы эпитаксиального роста 26
4.3 Рост твердых растворов SiGe на Si(100) 27
4.3.1 Применение структур со слоями Si и SiGe 27
4.3.2 Выращивание методом МЛЭ твердых растворов SiGe на подложке Si(100) 29
4.3.3 Влияние напряжений на валентную зону 31
5. Экспериментальная работа на установке МЛЭ «Катунь 100» 33
5.1 Установка МЛЭ «Катунь-100» 33
5.2 Предэпитаксиальная очистка поверхности 35
5.3 Предварительный отжиг подложек 38
5.4 Контроль состояния поверхности методом ДБЭ 39
5.5 Калибровка температуры нагревателя 42
5.6 Измерение скоростей напыления Si по полученным осцилляциям интенсивности
отраженного пучка электронов от подложки Si(111) 44
5.7 Измерение скоростей напыления Ge по переходу структуры 7x7 к поверхностной
структуре 5х5 методом ДБЭ 47
Заключение 49
Список используемой литературы 52
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Тенденция развития технологии получения наногетероструктур Ge на Si 10
2. Гетероструктуры Ge/Si с квантовыми точками Ge 11
3.1 Установка молекулярно-лучевой эпитаксии 12
3.2 Методы исследования наноструктур и устройства контроля 18
3.2.1 Масс - спектрометрия 18
3.2.3 Дифракция отраженных быстрых электронов 19
3.2.5 Цифровой инфракрасный пирометр IS 50-LO plus 21
4. Ростовые параметры технологических режимов синтеза наноостровков Ge на Si .. 24
4.1 Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок и их факторы 24
4.2 Режимы эпитаксиального роста 26
4.3 Рост твердых растворов SiGe на Si(100) 27
4.3.1 Применение структур со слоями Si и SiGe 27
4.3.2 Выращивание методом МЛЭ твердых растворов SiGe на подложке Si(100) 29
4.3.3 Влияние напряжений на валентную зону 31
5. Экспериментальная работа на установке МЛЭ «Катунь 100» 33
5.1 Установка МЛЭ «Катунь-100» 33
5.2 Предэпитаксиальная очистка поверхности 35
5.3 Предварительный отжиг подложек 38
5.4 Контроль состояния поверхности методом ДБЭ 39
5.5 Калибровка температуры нагревателя 42
5.6 Измерение скоростей напыления Si по полученным осцилляциям интенсивности
отраженного пучка электронов от подложки Si(111) 44
5.7 Измерение скоростей напыления Ge по переходу структуры 7x7 к поверхностной
структуре 5х5 методом ДБЭ 47
Заключение 49
Список используемой литературы 52
Развитие микроэлектроники на пути к наноэлектронике выдвигает более жесткие требования к размерам элементов и толщине рабочих слоев полупроводниковых приборов. Формирование эпитаксиальных слоев для полупроводниковых структур является одним из основных технологических процессов современной микроэлектроники. Технология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ) позволяет выращивать тонкие (до 1 нм) эпитаксиальные слои и гетероструктуры (ГС) с резкими гетеропереходами. Проведение ростовых процессов в условиях СВВ позволяет свести к минимуму влияние среды, а также открывает возможность объективного контроля за параметрами эпитаксиального роста и качеством структуры [1].
В настоящее время на основе полупроводниковых гетероструктур (ГС) создаются разные низкоразмерные системы (квантовые ямы, нити и точки), в которых наряду с изменением физических свойств объектов возникают новые физические эффекты, связанные с пространственным ограничением движения носителей заряда [2].
Создание полупроводниковых структур с новыми физическими свойствами является основной задачей нанотехнологии, имеющей целью расширение пределов применимости полупроводниковых материалов. Ключевым направлением является уменьшение создаваемых структур до размеров, при которых эффекты пространственного квантования существенно изменяют их электронные свойства.
Особое внимание уделяется структурам на основе кремния, составляющим элементную базу большинства современных электронных устройств. Обнаружение новых физических свойств в этих случаях позволяет создавать новые приборы [3].
На основе гетероструктур были созданы и теперь уже являются коммерчески доступными такие новые приборы как быстро действующие гетеробиполярные транзисторы (НВТ) и полевые транзисторы на основе селективно легированных структур (MODFET) с улучшенными шумовыми характеристиками, резонансно-туннельные диоды повышенной мощности и лучшими усиливающими характеристиками, а также гетеролазеры с низкими пороговыми токами и большими значениями коэффициента усиления, и высокой температурной стабильностью.
В основе этого метода лежит возможность роста по существу в кинетическом режиме в отличие от более традиционных методов, где рост идет в условиях, близких к термодинамическому равновесию.
Особенности, присущие методу МЛЭ, делают его удобным для исследовательских целей и для демонстрации новых идей, связанных с тонкими слоями и резкими границами раздела.
Самый важный полупроводниковый материал, используемый в настоящее время - это кремний. На основе кремния изготовляется около 90 % всех видов полупроводниковых устройств, с помощью которых усиливают и регулируют электрические токи и напряжения, обрабатывают и хранят информацию, преобразуют солнечную энергию в электрическую и многое другое.
Широкое применение кремния объясняется достаточно большой шириной запрещенной зоны, уникальными особенностями травления, высокими механическими свойствами его оксида и практически неограниченными природными запасами последнего.
В производстве самых разнообразных устройств на основе кремния широкое распространение получили процессы формирования моно- и поликристаллических пленок кремния на кремниевых и других подложках. Изготовление монокристаллических пленок на монокристаллических подложках называется эпитаксиальным наращиванием или просто эпитаксией. В технологии кремния метод эпитаксии желательно использовать по многим причинам. В частности, с его помощью можно легко получать пленки, отличающиеся от подложки как по типу легирующей примеси, так и по уровню концентрации (а, следовательно, и по удельному сопротивлению). Возможно также непрерывное изменение легирования эпитаксиальной пленки в процессе ее наращивания, что приводит к постепенному изменению уровня легирования по толщине пленки.
Важное применение эпитаксия находит также при изготовлении в кремнии замкнутых областей, которые отличаются от окружающей массы кремния величиной удельного сопротивления или типом проводимости. Такие “скрытые”, или “захороненные”, слои широко используются в технологии интегральных схем для создания ограниченных сильно легированных областей, расположенных под транзисторами, которые изготавливаются в наращиваемом сверху эпитаксиальном слое.
Третья важная область применения эпитаксии связана с возможностью использования изолирующих подложек. В качестве подложек для эпитаксиального наращивания кремния можно использовать монокристаллические пластины сапфира (оксида алюминия) и шпинели определенной ориентации, при которой их кристаллические решетки “совместимы” с решеткой кремния в том смысле, что позволяют получать монокристаллические эпитаксиальные пленки хорошего качества. Изолирующая природа подложки обеспечивает большую технологическую гибкость при создании в вышележащих слоях кремния интегральных схем с повышенной плотностью упаковки.
Гетероструктуры SiGe/Si привлекают внимание в связи с использованием их при изготовлении приборов с улучшенными характеристиками, а также с научной точки зрения. Использование ГС со слоями SiGe значительно улучшает параметры кремниевых приборов, особенно сверхбольших интегральных схем (СБИС). Кроме этого, наличие механических напряжений в таких ГС модифицирует зонную структуру полупроводника, что приводит к появлению новых полезных оптических и электрических свойств, что делает возможным реализацию светоизлучающих приборов даже в непрямозонном материале. Биполярные транзисторы, изготовленные на основе ГС SiGe/Si, в настоящее время стали коммерчески доступными приборами.
По разработке и изготовлению приборов на основе ГС SiGe/Si в России ограничиваются в основном академическими исследованиями в области изготовления светочувствительных матриц инфракрасного диапазона. В последние годы наметилась тенденция к исследованию возможности изготовления приборов наноэлектроники на основе Si, Ge и SiGe квантоворазмерных элементов.
Поэтому исследования направленные на решение технологических вопросов изготовления эпитаксиальных слоев Si и SiGe в комплексе с разработкой технологии изготовления конкретного прибора на основе ГС SiGe/Si весьма актуальны [1].
Для проведения исследований были привлечены следующие методики: молекулярно-лучевая эпитаксия, масс-спектрометрия, дифракция быстрых электронов, атомная силовая микроскопия, рентгеновская дифрактометрия.
Проведены эксперименты по предэпитаксиальной подготовке кремниевых подложек, отработана технология отжига с непрерывным контролем при помощи масс-спектрометрии и дифракции быстрых электронов, проведен контроль состояния поверхности методом дифракции быстрых электронов, проведена калибровка температуры нагревателя и определены скорости роста кремния и германия с помощью кварцевых измерителей толщины и определена скорость напыления германия методом осцилляций интенсивности рефлексов на картине ДБЭ.
В настоящее время на основе полупроводниковых гетероструктур (ГС) создаются разные низкоразмерные системы (квантовые ямы, нити и точки), в которых наряду с изменением физических свойств объектов возникают новые физические эффекты, связанные с пространственным ограничением движения носителей заряда [2].
Создание полупроводниковых структур с новыми физическими свойствами является основной задачей нанотехнологии, имеющей целью расширение пределов применимости полупроводниковых материалов. Ключевым направлением является уменьшение создаваемых структур до размеров, при которых эффекты пространственного квантования существенно изменяют их электронные свойства.
Особое внимание уделяется структурам на основе кремния, составляющим элементную базу большинства современных электронных устройств. Обнаружение новых физических свойств в этих случаях позволяет создавать новые приборы [3].
На основе гетероструктур были созданы и теперь уже являются коммерчески доступными такие новые приборы как быстро действующие гетеробиполярные транзисторы (НВТ) и полевые транзисторы на основе селективно легированных структур (MODFET) с улучшенными шумовыми характеристиками, резонансно-туннельные диоды повышенной мощности и лучшими усиливающими характеристиками, а также гетеролазеры с низкими пороговыми токами и большими значениями коэффициента усиления, и высокой температурной стабильностью.
В основе этого метода лежит возможность роста по существу в кинетическом режиме в отличие от более традиционных методов, где рост идет в условиях, близких к термодинамическому равновесию.
Особенности, присущие методу МЛЭ, делают его удобным для исследовательских целей и для демонстрации новых идей, связанных с тонкими слоями и резкими границами раздела.
Самый важный полупроводниковый материал, используемый в настоящее время - это кремний. На основе кремния изготовляется около 90 % всех видов полупроводниковых устройств, с помощью которых усиливают и регулируют электрические токи и напряжения, обрабатывают и хранят информацию, преобразуют солнечную энергию в электрическую и многое другое.
Широкое применение кремния объясняется достаточно большой шириной запрещенной зоны, уникальными особенностями травления, высокими механическими свойствами его оксида и практически неограниченными природными запасами последнего.
В производстве самых разнообразных устройств на основе кремния широкое распространение получили процессы формирования моно- и поликристаллических пленок кремния на кремниевых и других подложках. Изготовление монокристаллических пленок на монокристаллических подложках называется эпитаксиальным наращиванием или просто эпитаксией. В технологии кремния метод эпитаксии желательно использовать по многим причинам. В частности, с его помощью можно легко получать пленки, отличающиеся от подложки как по типу легирующей примеси, так и по уровню концентрации (а, следовательно, и по удельному сопротивлению). Возможно также непрерывное изменение легирования эпитаксиальной пленки в процессе ее наращивания, что приводит к постепенному изменению уровня легирования по толщине пленки.
Важное применение эпитаксия находит также при изготовлении в кремнии замкнутых областей, которые отличаются от окружающей массы кремния величиной удельного сопротивления или типом проводимости. Такие “скрытые”, или “захороненные”, слои широко используются в технологии интегральных схем для создания ограниченных сильно легированных областей, расположенных под транзисторами, которые изготавливаются в наращиваемом сверху эпитаксиальном слое.
Третья важная область применения эпитаксии связана с возможностью использования изолирующих подложек. В качестве подложек для эпитаксиального наращивания кремния можно использовать монокристаллические пластины сапфира (оксида алюминия) и шпинели определенной ориентации, при которой их кристаллические решетки “совместимы” с решеткой кремния в том смысле, что позволяют получать монокристаллические эпитаксиальные пленки хорошего качества. Изолирующая природа подложки обеспечивает большую технологическую гибкость при создании в вышележащих слоях кремния интегральных схем с повышенной плотностью упаковки.
Гетероструктуры SiGe/Si привлекают внимание в связи с использованием их при изготовлении приборов с улучшенными характеристиками, а также с научной точки зрения. Использование ГС со слоями SiGe значительно улучшает параметры кремниевых приборов, особенно сверхбольших интегральных схем (СБИС). Кроме этого, наличие механических напряжений в таких ГС модифицирует зонную структуру полупроводника, что приводит к появлению новых полезных оптических и электрических свойств, что делает возможным реализацию светоизлучающих приборов даже в непрямозонном материале. Биполярные транзисторы, изготовленные на основе ГС SiGe/Si, в настоящее время стали коммерчески доступными приборами.
По разработке и изготовлению приборов на основе ГС SiGe/Si в России ограничиваются в основном академическими исследованиями в области изготовления светочувствительных матриц инфракрасного диапазона. В последние годы наметилась тенденция к исследованию возможности изготовления приборов наноэлектроники на основе Si, Ge и SiGe квантоворазмерных элементов.
Поэтому исследования направленные на решение технологических вопросов изготовления эпитаксиальных слоев Si и SiGe в комплексе с разработкой технологии изготовления конкретного прибора на основе ГС SiGe/Si весьма актуальны [1].
Для проведения исследований были привлечены следующие методики: молекулярно-лучевая эпитаксия, масс-спектрометрия, дифракция быстрых электронов, атомная силовая микроскопия, рентгеновская дифрактометрия.
Проведены эксперименты по предэпитаксиальной подготовке кремниевых подложек, отработана технология отжига с непрерывным контролем при помощи масс-спектрометрии и дифракции быстрых электронов, проведен контроль состояния поверхности методом дифракции быстрых электронов, проведена калибровка температуры нагревателя и определены скорости роста кремния и германия с помощью кварцевых измерителей толщины и определена скорость напыления германия методом осцилляций интенсивности рефлексов на картине ДБЭ.
В результате, можно сделать вывод, что молекулярно-лучевая эпитаксия находится наряду с перспективными технологиями выращивания тонких пленок и многослойных структур. Сверхвысокий вакуум до 10-10 торр позволяет выращивать качественные бездефектные тонкие пленки. Вакуум исключает содержание примесей в камере роста, а также увеличивает свободный пробег атомов, что значительно увеличивает качество выращиваемых пленок. Низкая температура процесса уменьшает диффузию атомов и молекул из прилегающих материалов. Источники модулярных пучков позволяют использовать практически любые материалы для испарения и осаждения на подложку. Наличие систем управления молекулярных источников дают возможность резкого прерывания и возобновления поступления потоков атомов и молекул выращиваемого материала, что позволяет создавать резкие границы структур между слоями. Получению совершенных эпитаксиальных структур способствует возможность анализа структуры, состава и морфологии растущих слоев в процессе их формирования методом дифракции отраженных быстрых электронов и кварцевым измерителем толщины.
Наиболее многообещающим методом формирования упорядоченных массивов КТ является метод, использующий явление самоорганизации на кристаллических поверхностях. Релаксация упругих напряжений, в случаях роста на рассогласованных по параметру решетки материалах, может приводить к формированию упорядоченных массивов КТ. И наоборот наличие напряженных слоев твердых растворах SiGe приводит к высоким значениями подвижности носителей заряда в гетероструктурах, что увеличивает быстродействие создаваемых полупроводниковых приборов.
Основной методикой формирования Ge островков и твердых растворов SiGe на поверхности Si является метод молекулярно-лучевой эпитаксии.
Таким образом, в ходе выполнения данной работы были получены следующие результаты:
1. Проведен обзор научно-технической литературы по получении наногетероструктур Ge/Si, по методам контроля роста и состояния поверхности с помощью дифракции быстрых электронов (ДБЭ), обзор о выращивание твердых растворов Sii-xGex методом МЛЭ на подложке Si(100).
2. Изучены основы технологии получения наногетероструктур методом МЛЭ.
3. Проведен анализ научно-технической литературы по определению основных параметров режима синтеза наногетероструктур Ge/Si на свойства наногетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge, а именно: влияние температуры синтеза на размеры и плотность островков Ge, влияние скорости напыления Ge на размеры и плотность островков Ge, влияние сурфактантов на морфологию массивов Ge квантовых точек.
4. Отработана технология напыления кремниевых и германиевых нанослоев при работе на установке МЛЭ «Катунь-100».
5. Проведен эксперимент по калибровке температуры нагревателя с использованием образцов металлов и цифрового инфракрасного пирометра IS 50-LO plus. Построена калибровочная кривая зависимости температуры нагревателя от мощности.
6. Проведены эксперименты по измерению скорости напыления Si и Ge на Si(100) и Si(111). Измерение скорости напыления проводились с помощью кварцевых измерителей толщины и методом осцилляций интенсивности рефлексов на картине ДБЭ.
По теме выпускной квалификационной работы имеется 4 публикации:
1. Дирко В.В., Болат Р.К., Третьяков А.Ю. Две особенности калибровки температуры подложки при молекулярно - лучевой эпитаксии полупроводников // Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов. - 2019. - С. 3.
2. Дирко В.В., Болат Р.К., Третьяков А.Ю.. Контроль температуры нагревательного элемента в молекулярно-лучевой эпитаксии пирометрическим методом // Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов -физиков и молодых учёных. - 2019. -С. 138 - 139.Дирко В.В., Заяханов А. В.,
3. Болат Р.К., Третьяков А.Ю. Контроль эпитаксиального роста тонких пленок кремния и германия методом дифракции быстрых электронов / А. В. Заяханов, Р.К. Болат, А.Ю. Третьяков // Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных. - 2019. -С. 134 - 135.
4. Третьяков А.Ю., Дирко В.В. Определение критической толщины при синтезе квантовых точек Ge на Si (111) методом МЛЭ/ Международная научная студенческая конференция 2020. - 2020.
Наиболее многообещающим методом формирования упорядоченных массивов КТ является метод, использующий явление самоорганизации на кристаллических поверхностях. Релаксация упругих напряжений, в случаях роста на рассогласованных по параметру решетки материалах, может приводить к формированию упорядоченных массивов КТ. И наоборот наличие напряженных слоев твердых растворах SiGe приводит к высоким значениями подвижности носителей заряда в гетероструктурах, что увеличивает быстродействие создаваемых полупроводниковых приборов.
Основной методикой формирования Ge островков и твердых растворов SiGe на поверхности Si является метод молекулярно-лучевой эпитаксии.
Таким образом, в ходе выполнения данной работы были получены следующие результаты:
1. Проведен обзор научно-технической литературы по получении наногетероструктур Ge/Si, по методам контроля роста и состояния поверхности с помощью дифракции быстрых электронов (ДБЭ), обзор о выращивание твердых растворов Sii-xGex методом МЛЭ на подложке Si(100).
2. Изучены основы технологии получения наногетероструктур методом МЛЭ.
3. Проведен анализ научно-технической литературы по определению основных параметров режима синтеза наногетероструктур Ge/Si на свойства наногетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge, а именно: влияние температуры синтеза на размеры и плотность островков Ge, влияние скорости напыления Ge на размеры и плотность островков Ge, влияние сурфактантов на морфологию массивов Ge квантовых точек.
4. Отработана технология напыления кремниевых и германиевых нанослоев при работе на установке МЛЭ «Катунь-100».
5. Проведен эксперимент по калибровке температуры нагревателя с использованием образцов металлов и цифрового инфракрасного пирометра IS 50-LO plus. Построена калибровочная кривая зависимости температуры нагревателя от мощности.
6. Проведены эксперименты по измерению скорости напыления Si и Ge на Si(100) и Si(111). Измерение скорости напыления проводились с помощью кварцевых измерителей толщины и методом осцилляций интенсивности рефлексов на картине ДБЭ.
По теме выпускной квалификационной работы имеется 4 публикации:
1. Дирко В.В., Болат Р.К., Третьяков А.Ю. Две особенности калибровки температуры подложки при молекулярно - лучевой эпитаксии полупроводников // Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов. - 2019. - С. 3.
2. Дирко В.В., Болат Р.К., Третьяков А.Ю.. Контроль температуры нагревательного элемента в молекулярно-лучевой эпитаксии пирометрическим методом // Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов -физиков и молодых учёных. - 2019. -С. 138 - 139.Дирко В.В., Заяханов А. В.,
3. Болат Р.К., Третьяков А.Ю. Контроль эпитаксиального роста тонких пленок кремния и германия методом дифракции быстрых электронов / А. В. Заяханов, Р.К. Болат, А.Ю. Третьяков // Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных. - 2019. -С. 134 - 135.
4. Третьяков А.Ю., Дирко В.В. Определение критической толщины при синтезе квантовых точек Ge на Si (111) методом МЛЭ/ Международная научная студенческая конференция 2020. - 2020.
Подобные работы
- МЕТОД ДИФРАКЦИИ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ СИНТЕЗЕ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР GeSi НА Si(100) И Si(lll) ПРИ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Бакалаврская работа, электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 4255 р. Год сдачи: 2021